厚煤层综放面准备巷道保护煤柱的尺寸优化研究

柏新宇

(潞安化工集团 常村煤矿，山西 长治 046102)

煤炭在我国能源结构中占主体地位，根据国土资源部统计，90%的煤炭资源埋深较大，需采用井工开采，而基于我国煤炭的赋存特征，普遍采用长臂式采煤工艺[1]，进而不可避免会留设保护煤柱。开采过程中巷道保护煤柱留设尺寸过小，准备巷道受超前应力影响会出现底鼓、顶板冒落等现象，围岩稳定性难以保证，而煤柱留设过大又容易导致资源浪费[2-3]。保护煤柱合理留设的宽度设计主要依靠工程类比法确定，为保证使用安全，在实际工程设计时依经验一般会留设较宽的煤柱，这不仅会造成大量煤炭资源的浪费，而且严重影响矿井的经济效益。为此我们需对综放面停采线的位置确定进行深入研究，在保证安全开采的同时提高煤炭资源的采出率。

采矿工作者研究发现，工作面停采线位置的确定与煤层埋深、煤岩体的物理力学性质、工作面推进长度、超前支承压力等因素有关[4]。刘长友[5]等通过相似模拟试验以及现场实践研究发现，在周期来压之后撤架有利于维护顶板稳定性，并据此提出了合理的停采线位置；
孙兴忠等[6]以塔山矿综放工作面为地质背景，研究了大采高综放工作面超前支承压力分布特征并有效优化了煤柱尺寸；
崔玉江[7]通过液压传感器、声发射法对综放工作面超前支承压力分布及影响范围进行了实测分析，并据此优化了煤柱尺寸。综上，大多数学者对于工作面停采线位置确定的主要依据来源于开采动压所产生的超前支承压力影响范围并据此提出合理的煤柱宽度，对于切顶卸压后巷道的保护煤柱留设尺寸研究却相对较少。

我国针对厚硬顶板的切顶问题主要采用水力压裂法和爆破法[8-9]。其中爆破法由于现场施工简便、切顶效果明显、对工作面产生的影响较小等优势在我国煤矿生产中具有较广的适用范围。但爆破会污染井下空气，影响劳动工作者的身心健康，且爆破效果不易控制，在高瓦斯矿井中应用流程较为复杂。相对于爆破，利用高压水扩大岩层裂隙发育，使顶板在原岩应力作用下沿人为裂隙自然垮落的水力压裂切顶方法则可以有效适用于矿井高瓦斯环境。该技术不仅能够有效弱化岩层强度、降低顶板冲击倾向性，还可以起到预先释放煤层瓦斯、抑制煤层自燃的作用。

本文结合常村煤矿工程地质概况，在采矿科研工作者的研究基础上，对综放工作面末切顶卸压情况下停采线位置进行研究，对准备巷道保护煤柱的留设尺寸进行优化，在保证安全高效开采的同时极大提高煤炭资源的回采率，可为同类工程提供理论依据及有益参考。

常村煤矿主要开采3号煤层，为保证准备巷道在其服务周期内围岩稳定，准备巷道保护煤柱留设宽度为70～80 m.如图1所示，如2106综放面停采线位置距离470东翼1号回风巷的保护煤柱宽度约为70 m，2202综放面停采线位置距离22采区2号回风巷的保护煤柱宽度为80 m.

图1 采掘工程平面图(m)

2106工作面采用综放开采，自然垮落法管理顶板。如图2所示，煤层厚度为4.0～7.84 m，均厚5.92 m，倾角为3～15°，平均倾角为9°，煤层平均埋深为430 m.煤层直接顶为2.8 m厚的泥岩，基本顶为6.6 m厚的中粒砂岩，底板为较薄的泥岩、细粒砂岩层。

图2 综合地质柱状图

本文以常村煤矿2106综放面为工程背景进行研究，利用水力压裂切顶技术消减采动对准备巷道的影响，优化采停采线位置，缩小保护煤柱的宽度，提高煤炭资源的采出率，实现经济效益的同时保证矿井安全高效生产。

煤炭资源回采后，原煤体区域出现大片自由空间，覆岩自由垮落，工作面末端覆岩在煤壁的支撑作用下，形成悬臂梁结构，如图3所示。悬臂梁在回转下沉过程中挤压煤体，在煤体中形成超前应力，超前应力分布先增大后减小，随着与工作面距离增大，超前应力恢复至原岩应力或接近原岩应力状态。

图3 回采后悬臂结构示意

自工作面末端继续向准备巷道方向，煤体受超前应力影响，可依次将工作面前方煤体划分为破裂松散区(I)、塑性发育区(II)、弹性煤体区(III)、原岩应力区(IV)4个区域，见图4.I区位于工作面正前方，由于自由面应力得到释放，其应力小于原岩应力，但由于自由面的存在，煤壁较为破碎；
II区为应力升高区，此处应力大于原岩应力，煤体由于高应力集中而产生塑性破坏；
III区位于应力升高区之后，应力值逐渐下降，为应力降低区，但仍然大于原岩应力，在此范围内煤体主要发生弹性变形；
IV区为原岩应力区，此处煤体不受超前支承压力影响。

图4 力学模型图

结合上述力学模型，令塑性区的水平应力为σx，塑性区的垂直应力为σz，煤层厚度设定为m，煤岩体分层面的摩擦系数为f，则巷道弹塑性区域的极限平衡方程如下[4,10]：

m(σx+dσx)=mσx-2σzfdx=0

(1)

通过求解平衡方程可得塑性区垂直应力为：

(2)

式中：N0为煤帮的支撑能力；
φ为煤体的内摩擦角，°.

为满足正常安全工作，煤壁的承载能力需满足：

(3)

联立公式(2)和公式(3)综合可得塑性区垂直应力表达式为：

(4)

根据超前支承压力理论，超前应力峰值可表示为K倍的上覆岩层的自重应力，则令σz=KγH，可以得到综放面前方超前支承压力峰值所在位置到工作面煤壁的距离：

(5)

式中：x0为超前支承压力峰值与工作面煤壁的距离，m；
C为内聚力，MPa；
K为应力集中系数；
γ为工作面上覆岩层的容重平均值，一般取25 kN/m3；
H为上覆岩层的厚度，m.

常村煤矿2106工作面平均煤层厚度5.92 m，工作面埋深H取430 m，煤体内聚力取0.85 MPa，内摩擦角为37°，应力集中系数取3.根据上述参数计算可得超前支承压力峰值点到工作面煤壁距离x0=10.2 m.确定了x0以后，图中弹性区的垂直应力为：

(6)

x=x1+x0

(7)

(8)

根据公式(8)可得到该地质条件下超前支承压力弹性区范围为56.2 m，根据超前支承压力的四分区理论，结合破裂区、塑性区范围可得到工作面超前支承压力影响范围约为66.4 m.在此情况下准备巷道保护煤柱的长度应大于66.4 m.

结合常村煤矿2106工作面的煤层地质情况，采用犀牛软件建立数值模拟模型，导出Griddle有限差分FLAC3D软件网格，建模过程中提前设立切缝，模拟切顶卸压，模型如图5所示。

图5 数值模拟模型

模型尺寸为320 m×200 m×75 m，数值模型中各岩层、煤层物理力学性质参数测定如表1所示。模拟煤岩体本构模型设定为摩尔库伦模型，在模型顶部施加9.75 MPa力以补偿原岩应力，并约束四周及底部边界，工作面沿X轴布置，沿Y轴推进，模型两侧留设25 m的煤柱，以消除边界效应的影响，提取停采线后的不同位置的应力值，绘制曲线如图6所示。

表1 煤岩层物理力学参数

图6 超前应力分布折线图

工作面停采后，三向应力中，竖向应力变化最大，故此竖向应力应作为停采位置选择的主要参考，如图6所示，未切顶情况下，竖向应力峰值为31.88 MPa，应力集中系数为2.97，距离停采线11.0 m，距离停采线66.5 m处的应力值为10.77 MPa，已恢复至接近原岩应力状态，数值模拟与理论分析结果相一致，为进一步研究不同准备巷道保护煤柱尺寸情况下巷道围岩变形情况。

未切顶情况下，煤柱留设宽度为50 m时，准备巷道受回采影响较大，巷道两帮表现为非均匀破坏，巷道左帮受回采影响较大，变形量也较大，巷道左帮最大变形量为207 mm，巷道右帮最大变形量为54 mm，巷道底板鼓起量均值为120 mm，巷道底板中心线左侧区域底鼓量较右侧大；
煤柱宽度增大至60 m时，左侧变形量仍大于右侧，且顶底移近量仍较大；
当煤柱宽度增大至70 m时，巷道变形量明显减小。未切顶时不同煤柱宽度准巷道变形情况见图7，切顶时不同煤柱宽度准巷道变形情况见图8，不同情况变形统计见图9.

图7 未切顶时不同煤柱宽度准巷道变形情况

图8 切顶时不同煤柱宽度准巷道变形情况

图9 不同情况变形统计

在未切顶情况下，煤柱自50 m增加至60 m，准备巷道围岩变形量虽有减小，但整体变化不大，而当煤柱自60 m升至70 m时，巷道围岩变形得以控制。而在切顶情况下，煤柱宽度为50 m时，准备巷道受回采影响变形量较大，但煤柱宽度增大至60 m时，非均匀破坏得以明显控制；
煤柱宽度继续增大70 m，巷道围岩变形再次减小，但变化较小。故此未采取切顶卸压技术措施时，准备巷道煤柱宽度应在70 m以上，而切顶卸压后准备巷道煤柱留设可设定为60 m.

目前主要的切顶技术有爆破卸压及水力压裂两种方式，对比两种方式的施工特点及矿井的瓦斯含量，结合常村煤矿综放工作面工程地质条件，最终选定水力压裂法对停采位置的工作面顶板进行切顶卸压。首先，根据切顶位置布置压裂钻孔并在钻孔内预设位置利用切槽钻头布置横向切槽。布置完成后，通过钻孔窥视仪检查切槽质量。接着布置注水钢管以及封孔器。设备连接完成后，对封孔段进行注水压裂，对封孔器进行手动加压，进行横向切槽，最终在停采线顶板切出卸压缝，切顶后效果如图10所示。

图10 切顶卸压效果图

为验证理论分析及数值模拟的研究结果，在2106工作面停采线对应区域的准备巷道采用十字布点法布置巷道表面位移监测测站，监测工作面停采后巷道围岩破坏变形情况，监测周期共计60 d，监测结果如图11所示。

图11 巷道围岩变形监测曲线图

在监测的第10 d，工作面达到停采位置，停采后25 d左右准备巷道围岩变化达到稳定状态，巷道稳定后顶底板最大移近量为141 mm，两帮最大移近量为119 mm，与模拟结果一致，表明优化准备巷道保护煤柱后采取切顶卸压技术措施可有效对矿山压力及岩层进行控制。

本文以常村矿2106工作面实际概况为背景，采用多种研究手段相结合的方法，对综放面末端进行切顶卸压以研究其合理停采位置，共得出以下结论：

1) 通过理论分析计算得出未切顶时停采线前超前应力影响范围为66.4 m，停采线前煤体受超前应力影响可划分为破裂松散区、塑性发育区、弹性煤体区3个区域，超前应力影响范围外为原岩应力区，准备巷道应布置于原岩应力区。

2) 通过对比不同煤柱尺寸下切顶与未切顶时准备巷道围岩塑性破坏及变形情况，得出在未切顶情况下，煤柱尺寸应大于70 m，工作面切顶卸压技术后准备巷道保护煤柱尺寸可优化至60 m.

3) 现场停采线布置于准备巷道外60 m，矿井绝对瓦斯涌出量较大，不易爆破切顶，确定采取水压致裂对综放面末端进行切顶，切顶后对准备巷道变形监测，巷道整体变形量小，可保证在服务周期内安全稳定使用。